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ナノワイヤを多様な波長範囲に調整

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July, 16, 2019, Dresden--ラボ実験で、半導体ナノワイヤが幅広いエネルギー範囲に調整可能であることで示された。
 ナノワイヤは、コンピュータを高速化するだけでなく、LEDをよりカラフルに、太陽電池を一段と効率的にするために有望である。すなわち、微小な半導体が、適切な波長で電気エネルギーを光に変換、またその逆変換するなら可能である。Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)の研究チームは、シェル構造を変えるだけで、幅広い範囲で動作波長を自由に選択できるナノワイヤを製造することができた。微調整されたナノワイヤは、オプトエレクトロニックコンポーネントで、いくつかの役割を担うことができる。異なる材料を用いる必要はない。つまり、コンポーネントはより強力に、よりコスト優位的で、集積が容易になる。研究成果は、Nature Communicationsに発表された。
 ナノワイヤは、極めて多様である。その微小素子は、ナノテクノロジーでは、微小光および電子コンポーネントに利用できる。アプリケーションに含まれるのは、オンチップ光回路、新しいセンサ、LED、太陽電池、画期的な量子技術。最近の半導体技術と従来のシリコンベース技術との互換性を保証するのは、独立のナノワイヤである。シリコン基板との接触が微小であるので、ナノワイヤは、異なる材料の結合の一般的な困難を乗り越える。
 過去数年の研究で、ドレスデンのチームは、半導体材料GaAsをシリコン基板に成長させることに先ず取りかかった。次のステップは、ウエファ厚のワイヤを、付加要素としてインジウムを加えた材料のもう1つの層に閉じ込めることに関わるものである。目標は、その材料の不適合結晶構造にワイヤコアにおける機械的応力を誘導させること、これはGaAsの電子特性を変える。例えば、半導体バンドギャップがますます小さくなり、電子の移動度が増す。この効果を大きくするために、研究チームはシェルにインジウムを加え続ける、あるいはシェルの厚さを増やした。結果は、期待を大きく上回った。

既知の効果の極端化
 研究リーダー、Emmanouil Dimakisは、「われわれが行ったことは既知の効果を極端にすることだった。7%の応力達成は、非常に大きかった」と言う。
 このレベルの応力で、Dimakisは、半導体に無秩序が起こることを期待していた。経験的に、ワイヤコアは曲り、欠陥が生ずる。研究チームは、そのような無秩序が存在しない理由を特殊な実験条件であると考えた。まず、チームは、極めて細いGaAsワイヤを成長させた。次に、チームは、異常な低温度でワイヤシェルを造ろうとした。すると、原子の表面拡散は多かれ少なかれ凍結され、、シェルはコアの周りに均一に成長させられる。研究チームは、ハンブルクPETRA IIIとイングランドのDiamond高輝度X線を使って、研究チームの発見を補強した。
 その特別な結果によって研究者は、さらなる研究に取りかかることになった。「われわれは、ナノワイヤコアの非常に高い応力の引き金になったものに焦点を向けた。また、これが一定のアプリケーションにどのように利用できるかに注目した。研究チームは、長年、材料としてGaAsを認識していたが、ナノワイヤは特別である。材料は、ナノスケールで、まったく新しい特性を示す可能性がある」とDimkisは考えている。

ファイバオプティックネットワークに潜在的アプリケーション
 研究チームは、高歪によりGaAs半導体のバンドギャップを非常に低エネルギーにシフトできることに気づいた、ファイバオプティックネットワークの波長にさえ適合させられると考えた。技術的な到達点である。結局、この特別な範囲は、以前は、インジウムを含む特別な合金によってしか達成されなかった。ただし、材料混合により、多くの技術的問題が起こった。
 ナノワイヤ製造には高精度方法が必要とされる。4年前、この目的のためにHZDRに特別なシステムが導入された。MBEラボラトリ。原子または分子ビームからナノワイヤ自己触媒成長は、ラボで達成できる。ビームは、超高真空のシリコン基板に向けられる。Emmanouil Dimakisは、ラボセットアップで主要な役割を果たした。
(詳細は、https://www.hzdr.de)